Современная генетика

protein?. E cam acela?i lucru ca ?i cum prin combinarea оn diferite feluri

a patru litere ale alfabetului se pot forma 20 de cuvinte diferite dup?

con?inut ?i structur?. S-a dovedit c? prin intermediul a patru baze azotate

(nucleotide) se poate transmite o cantitate nelimitat? de informa?ie.

Calculele demonstreaz? c? o singur? baz? este capabil? s? codifice nu mai

mult de un aminoacid, iar toate cele patru baze (nucleotide) care оntr? оn

componen?a acizilor nucleici, respectiv nu mai mult de patru aminoacizi. De

aici reiese c? aminoacizii sunt codifica?i (specifica?i) de c?tre grupe de

baze. Combina?iile din dou? baze pot codifica numai 16 aminoacizi (42), ne

fiind capabile s?-i specifice pe to?i 20. Оn schimb, combina?iile de trei

baze (nucleotide) sunt capabile s?-i specifice pe to?i cei 20 de aminoacizi

?i chiar pe mai mul?i (43=64). Asemenea trei baze, situate una lвng? alta

(triplete), se numesc codoni ?i fiecare poate codifica un aminoacid anumit.

Urmau de asemenea s? fie rezolvate оnc? un ?ir de alte sarcini

complicate. Оn primul rвnd, era necesar? relevarea modului оn care оn

celul? are loc «citirea» informa?iei genetice. Оn al doilea rвnd, care sunt

tripletele ce codific?, anumi?i aminoacizi. Prin eforturile mai multor

savan?i din diferite ??ri au fost elaborate cвteva variante ale codului

genetic, dar dintre acestea nu toate au rezistat la verific?ri minu?ioase.

Primul care a emis (оnc? оn anul 1954) ipoteza c? codul genetic are un

caracter tripletic a fost fizicianul american de origine rus? G. Gamov.

Dup? cum s-a men?ionat, оn moleculele de acizi nucleici bazele sunt

amplasate unele dup? altele оn ?ir liniar ?i citirea informa?iei localizate

оn ele se poate realiza оn chip diferit. Mai jos prezent?m dou? variante de

citire a tripletelor care con?in 12 baze:

A-T-G-CE -A-T-T-A-G-CE-T-A

1 AA 2 AA 3AA 4 AA

2 AA

3 AA

Citirea tripletelor din acest rвnd (de la stвnga) se poate efectua, de

exemplu, оn felul оn care a pro-pus Gamov, respectiv:

A-T-G-primul aminoacid (1 AA)

T-G-CE-al doilea aminoacid (2 AA).

G-CE-A-al treilea aminoacid (3 AA) ?. a. m. d.

Un astfel de cod se nume?te suprapus, dat fiind faptul c? unele baze

оntr? оn componen?a a mai multor triplete vecine. Dar prin cercet?ri

ulterioare s-a demonstrat c? un asemenea cod este imposibil, deci, ipoteza

lui Gamov nu ?i a aflat confirmarea.

Un alt mod de citire a tripletelor, propus оn anul 1961 de F. Cric, este

prezentat оn continuare:

A-T-G - 1 AA; CE-A-T - 2 AA; T-A-G - 3 AA; CE-T-A - 4 AA.

Un astfel de cod se nume?te ne suprapus. Informa?ia pe care o con?ine se

cite?te succesiv dup? triplete, f?r? omiterea bazelor ?i f?r? suprapunerea

lor. Оn acest fel, textul informa?iei genetice urmeaz? s? fie contopit.

Dup? opinia lui Cric, citirea informa?iei se va оncepe de la un anumit

punct din molecula de acid nucleic, оn mod contrar textul pe care оl

con?ine s-ar denatura tot a?a cum sensul cuvвntului, dac? ar fi s?-l citim

de la o liter? оntвmpl?toare. Experien?ele ulterioare, efectuate de Cric ?i

colaboratorii s?i оn anul 1963, au confirmat juste?a ipotezei emise de el.

Determinarea principiului de citire corect? a informa?iei dup? triplete nu

constituia оns? rezolvarea definitiv? a problemei codului genetic, deoarece

ordinea de alternare a bazelor оn triplete (cuvintele de cod) poate fi

variabil?, respectiv: A-G-CE, G-CE-A, CE-G-A, G-A-CE, A-CE-G, CE-A-G ?. a.

m. d. Se pune оntrebarea: pe care aminoacid оl codific? fiecare dintre

tripletele enumerate?

Primele date privind componen?a cuvintelor de cod au fost prezentate оn

anul 1961 оn cadrul Congresului interna?ional de biochimie de la Moscova de

c?tre savan?ii americani M. Nirenberg ?i J. Mattei. Utilizвnd sistemul de

sintez? artificial? (acelular?) a proteinei, savan?ii au оnceput s? depun?

eforturi оn vederea descifr?rii «sensului» cuvintelor de cod, adic? a

modului de alternare оn triplete a bazelor. La оnceput ei au sintetizat un

polinucleotid artificial, a?a-numitul poli-U (U-U-U-U-U-U...), care

con?inea sub form? de baz? numai uracil. Introducвnd оntr-un sistem

acelular toate componentele necesare .(suc celular, ribozomi, complexul de

fermen?i necesari, o surs? de energie sub form? de acid adenozintrifosforic

(ATF), o garnitura complecta compus? din 20 de aminoacizi ?i molecule de

poli-U), au constatat c? оn acest caz are loc sinteza proteinei compuse din

r?m??i?ele unui singur aminoacid - fenilalanin? (fen-fen-fen-fen-fen...).

Оn felul acesta identitatea primului codon a fost descfrat?: tripleta U-U-U

corespunde fenilalaninei.

Apoi cercet?torii au realizat sinteza altor polinucleotide ?i au stabilit

care sunt codonii prolinei (CE-CE-CE) ?i ai lizinei (A-A-A). Оn continuare

s-a realizat sintetizarea garniturilor de trinucleotide (tripletele) cu

diferite оmbin?ri ale bazelor ?i s-a stabilit ce fel de aminoacizi se leag?

cu ribozomii. Treptat au fost descifra?i to?i cei 64 de codoni ?i a fost

alc?tuit «dic?ionarul» complect al codului genetic.

Codul genetic (ARN)

Dar la ce folosesc tocmai 64 de codoni, dac? оn protein? intr? doar 20

aminoacizi? Оnseamn? c? ceilal?i sunt de prisos?

La оnceput aceast? оntrebare i-a pus оn оncurc?tur? pe savan?i, dar mai

tвrziu a devenit clar c? nu exist? nici un fel de «surplus» de codoni.

Experien?ele оntreprinse de Nirenberg ?i Leder au demonstrat c? numero?i

aminoacizi pot fi codifica?i nu de una, ci de cвteva triplete-sinonime.

Bun?oar?, aminoacidul numit cistein? poate fi codificat de dou? triplete

(UGU, UGC), alanina - de patru (GCC, GCA, GCG, GCU), iar leucina de ?ase,

(UUA, UUG, CUU, CUC, CUA ?i CUG). Codul оn care unul ?i acela?i aminoacid

este codificat de cвteva triplete se nume?te cod degenerativ. S-a constatat

c? din punct de vedere biologic caracterul degenerativ al codului este

avantajos. Este ca un. fel de «m?sur? de siguran??» a naturii, elaborat? оn

procesul evolu?iei, cвnd, prin оnlocuirea unor codoni prin al?ii, se

realizeaz? posibilitatea p?str?rii structurii ?i a оnsu?irilor specifice

ale proteinelor. Datorit? caracterului degenerativ al codului, diferite

organisme pot s? introduc? оn proteinele de care dispun unii ?i aceea?i

aminoacizi, folosind оn acest scop diferi?i codoni.

|Pri|A doua nucleotid? a codonului |A |

|ma | |tre|

|nuc| |ia |

|leo| |nuc|

|tid| |leo|

|? a| |tid|

|cod| |? a|

|ulu| |cod|

|i 5| |onu|

| | |lui|

| |U |C |A |G | |

|U |[pic]} fenilalanin? |[pic]}serin? |[pic]}tirozin?, |[pic]}cistein?|U |

| |[pic]} leucin? | |UAA ocru | |C |

| | | |UAG ambr? |UGA azur |A |

| | | | |UGG triptofan |G |

|C |[pic]} leucin? |[pic]}prolin? |[pic]}histidin? |[pic]}arginin?|U |

| | | |[pic]}glutamin? | |C |

| | | | | |A |

| | | | | |G |

|A |[pic]} izoleucin? |[pic]}treonin?|[pic]}asparagin? |[pic]}serin? |U |

| |AUG | |[pic]}lizin? |[pic]}argin? |C |

| |metionin? | | | |A |

| | | | | |G |

|G |[pic]} valin? |[pic]}alanin? |[pic]}acid |[pic]}glicocol|U |

| |GUG valin? sau | |asparatic | |C |

| |formilmet. | |[pic]}acid | |A |

| | | |glutamic | |G |

?i оntr-adev?r, s? ne imagin?m pentru o clip? c? moleculele de ADN (?i

corespunz?tor cele de ARN) ale fiec?rei celule con?in numai cвte un singur

codon pentru fiecare aminoacid. Оn rezultatul unor muta?ii ace?ti codoni se

pot modifica ?i dac? ei nu au schimb, aminoacizii care le corespund nu vor

fi cuprin?i оn proteine, fapt care va duce la schimbarea structurii ?i

func?iilor lor iar aceasta poate conduce, оn consecin??, la urm?ri negative

pentru activitatea vital? a оntregii celule. Dac?, оns?, оn urma muta?iei

se va forma un codon-sinonim, atunci totul va r?mвne f?r? schimb?ri.

Ceva asem?n?tor ne putem imagina ?i оn cazurile cвnd оntr-o ?coal? sau

institu?ie de оnv???mвnt superior pentru predarea unui obiect oarecare

exist? numai un singur cadru didactic. Dac?, de exemplu, acesta se

оmboln?ve?te ?i nu are cine s?-l оnlocuiasc? pentru un timp predarea

disciplinei respective se оntrerupe. Probabil, c? ar fi fost mai chibzuit

dac? ar fi existat un оnv???tor (lector) care, intervenind la timp, s?

continue predarea acestei discipline. Cel pu?in pentru ca elevii s? nu

dovedeasc? s? uite materialul studiat sau pentru ca predarea obiectului dat

s? nu fie reprogramat? pentru alt trimestru.

Cum s-a remarcat deja, moleculele acizilor nucleici sunt catene

polinucleotidice, alc?tuite din ?iruri lungi de triplete. De-a lungul

moleculelor de ADN numeroase triplete – codonii - formeaz? sectoare aparte,

numite cistrone sau gene. Fiecare gen? con?ine informa?ia necesar? pentru

realizarea sintezei unei anumite proteine. Dar deoarece genele sunt am-

plasate оn moleculele de ADN оn ordine liniar?, una dup? alta, se оntreab?:

unde оncepe ?i unde se termin? citirea ?i transmiterea informa?iei genetice

privind fiecare protein? оn parte ?i ce semne conven?ionale sunt folosite

оn acest scop? Doar codul genetic este, dup? cum ?tim, compact, f?r? nici

un fel de virgule оn «textul» s?u.

S-a dovedit c? оntre cei 64 de codoni exist? astfel de triplete a c?ror

func?ie const? оn marcarea оnceputului ?i sfвr?itului citirii

(transcrip?iei) ?i transmiterii (transla?iei) informa?iei genetice,

con?inut? оn gene. Оnceputul transl?rii genelor (sau, aceea ce e acela?i

lucru, оnceputul sintezei proteinei date) se marcheaz? prin tripleta AUG.

denumit? respectiv de ini?iere. Tripletele UAG ?i UAA marcheaz? sfвr?itul

transl?rii genelor (оncheierea procesului de sintez? a proteinelor) ?i sunt

corespunz?tor denumite finale.

Оn ce const? esen?a procesului de descifrare a codului genetic ?i a

biosintezei proteinelor?

Toate caracterele ?i оnsu?irile organismelor sunt determinate de

proteine. Prin urmare, transmiterea informa?iei genetice оn procesul

sintezei proteice se desf??oar? strict conform unui anumit plan (program),

schi?at din timp.

Rolul de baz? оn biosinteza proteinelor оl joac? acizii nucleici: ADN ?i

cвteva tipuri diferite de ARN, care se deosebesc dup? structur?, mas?

molecular? ?i func?ii biologice. Dintre ace?tia face parte a?a-numitul ARN

informa?ional sau de informa?ie (ARN-i), ARN de transport sau de transfer

(ARN-t) ?i ARN ribozomal (ARN-r). Ei sunt sintetiza?i de pe matri?ele de

ADN ale celulelor, cu participarea fermen?ilor corespunz?tori - ARN-

polimeraze, iar apoi оncep s? оndeplineasc? func?iile ce le au оn procesul

biosintezei proteinelor. Astfel ARN-r, unindu-se оn complexe cu proteine

speciale, formeaz? ribozomii, оn care are loc sinteza tuturor tipurilor de

protein? (proteinosinteza).

Ribozomii constau din dou? subunit??i. Оn celul? num?rul de ribozomi se

ridic? la circa 100 mii ?i de aceea cantitatea general? de ARN-r din ei

constituie circa 80% din totalul de ARN al celulei.

Care sunt, deci, func?iile biologice ale ADN-ului, ARN-i ?i ARN-t? Care

este contribu?ia lor nemijlocit? оn procesul de biosintez? a proteinelor?

Vom remarca de la bun оnceput c? ADN nu particip? nemijlocit la sinteza

proteinelor. Func?ia lui se limiteaz? la p?strarea informa?iei genetice ?i

la replicarea nemijlocit? a moleculei, adic? la formarea de copii necesare

pentru transmiterea informa?iei urma?ilor.

Prima etap? a biosintezei proteinelor o constituie recep?ionarea

informa?iei genetice de la ADN ?i оnscrierea ei pe o molecul? ARN-i, proces

care se realizeaz? оn felul urm?tor: pe unul din firele moleculei de ADN cu

ajutorul fermentului ARN-polimeraz? din nucleotidele libere se sintetizeaz?

firul ARN-i, оn care locul timinei (T), con?inute оn ADN, оl ia uracilul

(U). Molecula ARN-i sintetizat?, care a preluat informa?ia con?inut? оn

ADN, se instaleaz? apoi оn ribozomi, unde va servi оn calitate de matri??

pentru sintetizarea proteinelor. Aceasta оnseamn? c? succesiunea

aminoacizilor din molecula de protein? este determinat? de succesiunea

nucleotidelor оn ARN-i. Schematic acest proces poate fi exprimat astfel:

ADN(ARN-i(protein?.

Pe lвng? ARN-i citoplasma celulelor mai con?ine nu mai pu?in de 20 de

tipuri de ARN-t - aceasta fiindc? fiec?rui aminoacid оi corespunde cel

pu?in o molecul? «a sa», specific?, de ARN-t. Func?ia lui ARN-t const? оn

transportarea aminoacizilor spre ribozomi ?i a?ezarea lor pe matri?a de ARN-

i оn cadrul lan?ului peptidic, оn conformitate cu codul sintezei proteice.

Pentru aceasta fiecare ARN-t trebuie «s? оnha?e» aminoacidul corespunz?tor

?i оmpreun? cu acesta s? treac? оn ribozom. La realizarea acestei opera?ii

ei sunt ajuta?i de omniprezen?ii fermen?i, care fac aminoacizii mai activi.

La propunerea academicanului V. A. Enghelgard ace?ti fermen?i, dat fiind

faptul c? ei particip? la descifrarea codului genetic, au fost numi?i

codaze. De remarcat c? fiec?rui aminoacid оi corespunde o codaz? specific?.

Оn acest fel, pentru to?i cei 20 de aminoacizi exist? tot atвtea tipuri de

ARN-t ?i respectiv de codaze.

La unul din capete moleculele de ARN-t au un sector acceptor cu ajutorul

c?ruia ele ata?? aminoacizii, оn timp ce la cel?lalt cap?t se afl? un

anticodon-triplet? cu func?ie complementar? fa?? de codonul corespunz?tor

din ARN-i. «Оnc?rcate» cu aminoacizi, moleculele de ARN-t se apropie de

ribozom ?i se unesc cu codonii corespunz?tori de ARN-i, pentru a-i

complini.

Procesul de translare a informa?iei genetice оnseamn? transferarea

succesiunii nucleotidelor ARN-i оn succesiunea aminoacizilor оn lan?ul

polipeptidic al proteinei. Sinteza proteinei оncepe оn momentul оn care оn

ribozomi p?trund dou? molecule de ARN-t; prima corespunde tripletei

ini?iale, iar a doua - unei alte triplete de ARN-i, care urmeaz? nemijlocit

dup? prima. Cвnd aceste molecule ajung s? se afle al?turi, aminoacidul de

pe prima molecul? de ARN-t trece pe cea de-a doua molecul? de ARN-t, unindu-

se cu aminoacidul acesteia. Оn acest fel prima molecul? de ARN-t se

pomene?te lipsit? de aminoacid ?i iese оn citoplasm?, оn timp ce cea de-a

doua molecul? de ARN-t con?ine doi aminoacizi, uni?i prin leg?tur?

peptidic?. Оn continuare, ribozomul se deplaseaz? cu o triplet? de-a lungul

moleculei de ARN-i ?i оn el оntr? o nou? molecul? de ARN-t, a c?rei

anticodon este complementar fa?? de cea de-a treia triplet? (codon) a ARN-i

din ribozom. Dipeptida (sau primii doi aminoacizi) se desprinde de cea de-a

doua molecul? de ARN-t ?i trece pe cea de-a treia molecul? de ARN-t numai

ce оntrat? оn ribozom. Оn acest fel se pomenesc unul lвng? altul trei

aminoacizi lega?i оntre ei ?i procesul se repet?, pвn? cвnd este translat

ultimul codon al ARN-i.

Оn mod obi?nuit fenomenul transmiterii informa?iei genetice este comparat

cu modul de func?ionare al unei ma?ini de scris, unde dup? fiecare ap?sare

a clapelor careta se deplaseaz? cu o liter?, f?cвnd loc pentru imprimarea

urm?toarelor, pвn? nu este dactilografiat tot textul.

Оncheind transmiterea informa?iei, ribozomul p?r?se?te firul de ARN-i ?i

se localizeaz? iar??i оn citoplasm?.

Moleculele de ARN-i pot avea, оn dependen?? de num?rul de gene

(cistroane) pe care le con?in, diferite m?rimi. Este limpede faptul c? dac?

ctirea de pe o molecul? lung? de ARN-i ar fi efectuat? de un singur

ribozom, sinteza proteinei

s-ar desf??ura оncet: iat? de ce la translarea unor astfel de molecule de

ARN-i ribozomii lucreaz? prin «Metoda de brigad?», cвteva zeci de ribozomi

unindu-se ?i formвnd a?a-numi?ii poliribozomi, sau, mai simplu, polizomi.

Dar cum, totu?i , afl? ribozomii din care cap?t al moleculei de ARN-i

trebuie s? оncap? translarea informa?iei genetice? S-a stabilit c? ambele

capete ale moleculei de ARN-i sunt marcate distinct de anumite grupe. La

unul din capete exist? grupuri fosfatice (оnsemnate conven?ional prin ppp-

uri latine?ti), iar la altul-grupa hidroxil? (ON). Prescurtat ele sunt

оnsemnate respectiv prin 5' ?i 3'. Ribozomii se deplaseaz? оntotdeauna de

la cap?tul 5' spre cap?tul 3', a?a cum e ar?tat pe schema ce urmeaz?:

5' PPP-uri AUG-GCU-UCU-AAC-UUU-CGA-AAC-CUG ON... 3'.

S-a mai constatat ?i faptul c? оn moleculele acizilor nucleici nu toate

tripletele sunt citite. Asemenea triplete ca UAG, UAA ?i UGA sunt

repartizate оn locuri diferite: la оnceputul, la sfвr?itul sau оn

sectoarele medii ale lan?ului оntre anumite gene. Datorit? faptului c? nu

sunt translate, aceste triplete servesc ca un fel de zone de frontier?

оntre genele pe care sinteza lan?urilor polipeptidice se оntrerupe.

Cu ce ar putea fi comparat? activitatea codului genetic? Vom aduce aici

un exemplu interesant din cartea lui X. Raubah «Enigmele moleculelor».

Catena polipeptid? ne-o putem imagina ca pe un tren de marf?, iar

compunerea catenei peptide poate fi comparat? cu formarea acestui tren.

La centrul de comanda (оn nucleul celulei) este preg?tit? o list? оn care

se indic? succesiunea vagoanelor (o caten? de ADN). Aceast? informa?ie

urmeaz? s? fie transmis? la sta?iunea de sortare (ribozomele din

citoplasm?). Translarea este efectuat? de un teleimprimator de construc?ie

special?. Pentru ca teleimprimatorul s? poat? func?iona, lista ini?ial?

trebuie s? fie transcris? pe una complementar? (ARNi). Оn procesul acestei

transcrieri se produce transformarea lui CE оn G, lui G оn CE, lui T оn A.

Teleimprimatorul mai are o particularitate: de fiecare dat?, cвnd la

transformarea lui A trebuie s? apar? semnul T, teleimprimatorul scrie U,

dup? cum se indic? mai jos.

Lista ini?ial? (catena ADN)

TAC GAT CCC AGG CGT CAA AAG ATA ATT

Transcrierea

AUG CUA GGG UCC GCA GUU UUC UAU UAA

Lista complementar? (ARNi)

Acum aceast? informa?ie transmis? prin teleimprimator este tradus? cu

ajutorul tabelelor codului (translarea). Traducerea оi indic? ?efului de

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34